滚筒式曝气生态坝在黑臭河道生态治理的应用研究

2022-11-01刘书敏柴晓贞路丽君

环境科技 2022年5期

刘书敏，柴晓贞，路丽君，陈俊

（1.上海尼普敦环境科技有限公司，上海 200092；2.滨州市海洋发展研究院，山东滨州 256699；3.常州市排水管理处，江苏常州 213001）

0 引言

水体污染形势随着经济与社会的快速发展越来越严峻，许多生活污水和工业废水等未经处理或只经过简单处理直接排入河道[1]，随着过量的有机污染物、氮、磷、有毒物质的富集，污染负荷严重超过环境承载力[2]，大量厌氧微生物增殖，并释放出H2S,NH3,CH4等臭味气体[3]，水体不断发黑、发臭，破坏了自然水体的功能和水生态平衡[4-5]，加剧了水资源的短缺，威胁到人类身体健康。截至目前，我国已投入大量人力物力整治城市黑臭水体，取得了一定成效，但已修复水体存在修复效果不能长效维持且部分水体存在二次恶化的风险[6]，因此，目前水体黑臭已成为我国城市河道污染问题中亟待解决的一个重要水环境问题。

针对黑臭河道的水体治理工作遵循 “控源截污、内源清淤、水质提升、清水补给、生态修复”技术路线，目前已开展了大量防控研究工作，均取得较好的研究成果，如管网的截污纳管及面源污染控制技术[7]、底泥原位[8]和异位处理及资源化技术[9]、调水换水[10]、人工曝气技术[11]、化学药剂投加[12]、水生动植物修复[13]及微生物修复[14-17]等。

由于不同类型水体存在较大生境异质性，故在特定类型水体中以往措施效果发挥存在局限性，如微生物修复受水动力影响大[18-19]，部分城市管网历史设置不合理[20-21]，短时期内整改周期较长，底泥疏浚工程量巨大，易造成底质二次污染并伴随底栖生态系统破坏[22]，频繁河道换水调水难度大[23]，生态浮床技术均需占用一定岸线空间和水面空间，给城市河道水体保洁、河道疏浚带来困难，以上种种因素制约着城市黑臭河道治理进程。此外，较多技术研发只基于实验室原理探究，很少应用于实际河道水体，而河道生境复杂且生态系统具有恢复力[24]，实验室污染物质削减效果并不能真实反应河道水体治理状态。故针对控源截污规划周期较长，且亟待水质提升的城市黑臭河道，可发挥稳定水质改善效果的装置成为河道治理中的最佳选择。

鉴于此，以上海市典型黑臭河道—夏长浦河道为修复对象，采用滚筒式曝气填料生态坝进行原位处理，通过监测装置运行组及空白对照组中溶解氧（DO）、化学需氧量（CODCr）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）、二甲基三硫醚（DMTS）[25]、透明度（SD）和水体微生物[26]指标并进行对比分析发现，该装置可有效消除水体黑臭，从而为我国黑臭水体的治理工作提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 实验装置

滚筒式曝气填料生态坝装置运行原理：由该装置曝气单元对黑臭河道进行机械曝气，增加水体中DO 含量，同时通过填料附着微生物膜的降解作用去除水体中N,P 和有机物等污染物，以增强河道水体的自净能力。

滚筒式曝气填料生态坝装置结构示意见图1。由图1 可以看出，滚筒式曝气填料生态坝装置由用于河道净化的填料筒单元和用于为填料筒单元供氧的曝气单元通过输气管连接组成。曝气单元包括光伏板、控制转换器和直流曝气机，填料筒单元包括周壁设有若干通孔的筒体、填料层、带孔隔板、浮力层、布孔金属管和曝气管，布孔金属管置于筒体中央，以便于微孔曝气管内输入的空气均匀地扩散至浮力层和填料层，曝气管穿设于布孔金属管内；浮力层由改性后的高分子材料制作成的悬浮填料球进行填充，置于布孔金属管外侧，其内填充有疏松多孔泡沫材料以及火山石、陶粒、沸石等材料，带孔隔板置于浮力层外侧，填料层置于带孔隔板与筒体的周壁之间，曝气管与输气管相连通。

图1 滚筒式生态坝装置结构示意

1.2 设计参数

滚筒式曝气填料生态坝装置曝气单元采用以太阳能为动力的纯太阳能离网供电系统，该系统选择的光伏板功率为180 W，太阳能板与地平线呈28 ～30°朝正南方布设，直流稳压控制器电压为12 V，直流曝气机功率为35 W，供气量为80 L/min，曝气产生的压缩空气经管道输送至填料筒中部的微孔曝气管中。该装置中布孔金属管的管径为60 mm，其孔径为5 mm，相邻孔间距为100 mm，开孔方式为上、下孔对开。浮力层厚度为200 mm，填料层厚度为625 mm，浮力层由较多的有疏水多孔泡沫材料组成，填料层内填有直径为80 mm 的悬浮填料球，该球表面在水中可长出一层可降解水体污染物的生物膜，并可不断更新。该装置柱状筒体的外壁布设8 片翅片，相邻翅片间夹角呈45°。翅片可带动柱状筒体在河道水流推动下做原位滚动，净化水质的同时，带动水体流动。

1.3 研究区域

夏长浦河道位于上海市静安区，平均宽度为15 m，规划水深为2.5 m（因底泥淤积较深，实际水深为1 ～2 m）。由于河道沿线存在较多雨污混接排口，使得大量污水排入河道，导致河道水体发黑发臭。当前沿线截污纳管工作虽已完成，但水体黑臭现象并未减轻。此外，目前该河道一端为断头浜，另一端由闸门控制且平时呈关闭状态，因水动力条件较差，故水体自净能力低，水体依然呈黑臭状态。因此，选择夏长浦河道作为研究对象，通过探究滚筒式曝气填料生态坝装置对其治理效果，以期为今后治理黑臭河道提供技术支撑。

将滚筒式曝气填料生态坝装置置于河道断面中央，且为该装置的曝气运行进行定时设置，确保该装置每天曝气8 h。试验点位选取该装置布设点位S1 及空白对照实验点位S2，2 点位相隔300 m避免相互影响。在河道水面下0.5 m 处，通过有机玻璃取样器取水，每次将采集的3 个水样进行混合后再检测水质。装置安装过程难免造成沉积物扰动，为降低底泥上翻导致的误差，水质检测与分析从该装置固定并稳定运行2 周后开始，水质检测频率为1 次/周，共进行为期11 周水质检测。

2 结果与分析

2.1 河道本底水质

夏长浦河道为上海市典型黑臭河道，根据河道现场勘察，水体呈黑灰色，底泥偶有上浮，河道散发刺鼻臭味。2020年6月对夏长浦河道水质进行检测，检测结果见表1。

表1 夏长浦河道水质检测结果

由表1 可以看出，河道水体中DO，CODCr，TN，NH4+-N，TP质量浓度均值分别为0.43，30，16.95，13.15，1.64 mg/L，SD均值为20.5 cm，DMTS 质量浓度均值为3 662 ng/L。参照2015年发布的《城市黑臭水体整治工作指南》[27]中的城市黑臭水体污染程度分级标准，确定夏长浦河道河道SD，DO，NH4+-N 浓度已达到轻度黑臭标准，说明试验期间该河道水体处于轻度黑臭状态。

2.2 滚筒式生态坝装置对DO,CODCr 的治理效果

过量有机污染物排入河道，经过氧化分解后消耗掉大量DO，使得水体成为厌氧环境，此时，厌氧微生物分解出大量含N,S 等有机物物质，造成水体逐渐发黑发臭，因此，削减有机污染物及水体的快速复氧对消除水体黑臭至关重要。滚筒式曝气填料生态坝装置对提升DO 及削减CODCr的效果见图2。由图2（a）可以看出，试验期间，河道S1样点中DO 质量浓度范围在2.58 ～3.6 mg/L 之间，均值为3.30 mg/L，S2 样点中DO 质量浓度范围在0.18 ～0.93 mg/L 之间，均值为0.54 mg/L。通过对比发现，空白S2 样点中DO 浓度波动较小，说明河道自身复氧速度缓慢，该装置微孔曝气管内输入的空气可有效提高河道中DO 水平。河道中有机物主要来源于降雨、土壤淋溶及人类活动的排放及底泥释放等。有机污染可经过食物链富集，对人体健康造成恶劣影响，故削减有机污染成为黑臭水体感官改善及居民身体安全保证的必要环节。由图2(b)可知，河道S1 样点中CODCr质量浓度范围在13.00 ～36.00 mg/L 之间，均值为23.08 mg/L，河道S2 样点中CODCr质量浓度范围在25.00～35.00 mg/L 之间，均值为30.75 mg/L，CODCr削减率可达24.8%。该结果表明，该装置曝气可促进河道中O2的传递与扩散，避免水体出现缺氧或厌氧状态，提高了细菌活性，加快有机污染物的分解。此外，该装置悬浮挂膜材料不仅可强化微生物的生化作用，也对有机物的降解发挥着重要作用。

图2 滚筒式生态坝装置对提升DO 及削减CODCr 的效果

2.3 装置对N,P 营养盐的去除效果

NH4+-N 超标严重危害了水环境质量，具体表现在水体的耗氧、富营养化现象及非离子氨的毒害作用[28]。随着生活污水、工业废水的排放及农业农药化肥的过量使用[29]，目前，国内大多数河流中NH4+-N 含量超标已经取代了CODCr，成为了水体污染的首要污染物质[30]。滚筒式生态坝装置对N,P 的去除效果见图3。

图3 滚筒式生态坝装置对N,P 的去除效果

由图3（a）可以看出，S1 样点中NH4+-N 质量浓度范围在5.38 ～12.98 mg/L 之间，平均值为8.94 mg/L，S2 样点中NH4+-N 质量浓度范围在11.14 ～14.58 mg/L 之间，平均值为12.39 mg/L，该装置对NH4+-N 的削减率为26.7%。由图3（b）可以看出，S1 样点中TN 质量浓度范围在11.39 ～18.72 mg/L 之间，平均值为14.85 mg/L，S2 样点中TN 质量浓度范围在13.34 ～19.48 mg/L 之间，均值为16.63 mg/L，该装置对TN 的削减率为10.4%。通过分析S2 样点中氮元素形态，发现NH4+-N 在TN 含量中占比为75.9%，表明在厌氧的水环境下，含氮有机物氨化后并不能充分进行硝化作用，而是以NH4+-N 的形式累积在水体中。对比分析2 组数据发现，该装置对河道中TN 尤其是NH4+-N 具有较好地去除效果，分析氮元素去除的原因为溶解氧提升后促进了微生物的硝化速率以及随着装置曝气加快了NH4+-N 吹脱[31]。

水体中磷元素是导致水体富营养化的关键因素[32]，磷元素可促使水体内的藻类大量滋生[33]，导致维管束植物腐烂，最终河道黑臭[34]。因此，削减排入水体中磷元素含量可有效缓解水体向富营养化状态甚至向黑臭河道状态的演变[35]。由图3（b）可以看出，S1 样点中TP 质量浓度范围在0.86 ～1.86 mg/L 之间，平均值为1.19 mg/L，S2 样点中TP 质量浓度范围在1.01 ～1.67 mg/L 之间，平均值为1.39 mg/L，该装置对TP 的去除率为14.8%。对比2 组数据发现，该装置可有效去除水体中磷元素，分析原因为该装置的填料单元中填料为火山石、陶粒、沸石等，通过填料的物理和化学吸附水体中磷元素进行降解，该装置在水流的作用下均匀旋转，也提高了自然河道的过滤效果。

2.4 装置对透明度、嗅味的提升效果

黑臭水体冲击力最大的感官效果为黑和臭，其中水体泛黑是由水体悬浮物、Fe、S 元素及FeS化合物导致[36]，水体发臭主要是由硫酸盐还原菌、放线菌等微生物在厌氧条件下降解有机物生成[37]，其中主要致臭产物之一为二甲基三硫醚（DMTS）[38]。通过检测SD及DMTS 来表征河道感官效果变化，具体见图4。由图4（a）可以看出，S1 样点中SD范围在53 ～69 cm 之间，平均值为63 cm，S2 样点中SD范围在32 ～49 cm 之间，平均值为38 cm，由此计算该装置对SD的提升率为69.6%。由图4（b）可以看出，S1 样点中DMTS 浓度范围在5 ～2 933 ng/L 之间，平均值为1 341 ng/L，S2 样点中DMTS 浓度范围在2 738 ～3 988 ng/L 之间，平均值为3 410 ng/L，由此计算该装置对DMTS 的削减率为58.5%。对比分析实验组与空白组发现，试验期间该装置运行可有效提升水体透明度和削减致臭物质，分析原因为该装置曝气可直接氧化水体中的嗅味物质，同时，也可提高其挥发速率，挥发过程中部分物质被装置填料吸附，从而实现对嗅味物质的有效削减。

图4 装置对提升SD 及削减DMTS 效果

2.5 水体细菌对于黑臭消除的响应

该装置对黑臭水体具有较好的治理效果，主要原因为曝气对有机物直接氧化。此外，水体中微生物群落结构也对有机物削减尤为重要。水体中含有大量以细菌为主的微生物，为研究该装置运行对水体细菌群落组成的影响，对比分析实验组与对照组细菌纲水平群落组成，具体见表2。由表2 可以看出，2组细菌群落组成相似，但实验组细菌群落多样性更高，2组细菌优势菌分别为γ-变形杆菌（Gammaproteobacteria）、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、放线菌纲（Actinobacteria）、酸微菌纲（Acidimicrobiia）及蓝藻纲（Cyanobacteriia）。实验组中γ-变形杆菌等厌氧菌丰度明显低于对照组，放线菌纲、酸微菌纲好氧菌丰度明显高于对照组。且酸微菌纲中部分化能自养菌可将Fe(II)氧化为Fe(III)[39]，可促进磷元素蓄闭在沉积物中。说明该装置可有效改善河道厌氧环境，使得水体中好氧菌丰度提高，优化了水体微生物群落结构及群落多样性。